К.Салихов: В Казани необходимо создать центр для создания и исследования наносистем

Сегодня в повседневной жизни все чаще встречаются слова с приставкой «нано» – «нанотехнологии», «наносистемы», «наночастицы». Однако, мало кто представляет себе, что они означают…

О причинах небывалого интереса и даже моды на нанотехнологии корреспонденту TatCenter.ru рассказал директор Казанского физико-технического института имени Завойского Казанского научного центра Российской академии наук, вице-президент Академии наук Республики Татарстан Кев Салихов.

Кев Миннулинович Салихов, родился 03.11.1936. Специалист в области химической физики и физики магнитных явлений. Основные направления научных исследований – динамика спиновых систем в парамагнетиках, динамика спинов в элементарных актах химических превращений, томография. Автор десяти монографий и учебников, около двухсот научных статей. Целый ряд трудов издан за рубежом. За цикл работ по магнитно-спиновым эффектам в химических реакциях, выполненных совместно с учеными Новосибирска и Москвы, был удостоен Ленинской премии.

Что такое нанотехнологии?

Вы представляете себе размер наночастицы? «Нано» означает одну миллиардную долю метра. Мы уже прожили век «микро» (микро – это одна миллионная доля метра). А теперь нужно осваивать масштаб в тысячу раз меньше! Например, одна молекулы воды имеет размеры порядка одной десятой доли нанометра. Радиус двойной спирали ДНК равен 1 нм. Молекулы, состоящие из десятков атомов, имеют нанометровые размеры. Полимерные молекулы, состоящие из миллиона мономерных звеньев, будучи свернутыми представляют клубок размерами в сотню нанометров. Коллоидные частицы в растворах имеют размеры от нескольких нанометров и больше.

Конечно, сразу возникает вопрос: Как измерить размер частицы, доказать, что создан действительно нанометровый продукт? Для этого ученые изобрели специальные приборы, например, сканирующие туннельные микроскопы и атомно-силовые микроскопы. Развитие нанометрологии является одним из необходимых условий успешного развития нанонауки и нанотехнологии, и в этом направлении надо еще многое сделать.

Слово «нанотехнология» вошло в употребление в конце 80-х годов ХХ века после того, как в 1981 году сотрудники фирмы IBM создали сканирующий туннельный микроскоп. Мало того, что с помощью туннельного микроскопа можно увидеть отдельные атомы на поверхности твердых тел, но главное можно манипулировать атомами, проводить технологические операции на атомарном уровне. Другими словами, из атомов или молекул мы можем конструировать любую заданную архитектуру. Например, можно написать какое-нибудь имя или нарисовать что-нибудь из атомов, скажем, золота. Каждая буква может состоять из цепочки атомов и т.д.

Работая с наносистемами, трудно отделить фундаментальную науку от технологии. Все очень сильно переплетено. Наночастицы могут обладать свойствами, которые сильно отличаются от свойств макроскопических тел. Поэтому надо проводить фундаментальные исследования свойств наночастиц и наносистем, чтобы со знанием дела предлагать пути их применения.

Нанотехнологии в чистом виде

В чистом виде нанотехнологию можно представлять таким образом: вы конструируете заданные архитектуры, взяв в качестве строительных элементов атомы, молекулы и агрегаты молекул. Такой подход называется технологией «снизу-вверх».

Альтернативный путь – «сверху-вниз». В этом случае наночастицы стараются получить путем измельчения, например, с помощью механической обработки (скажем, мельниц) и др. Очевидно, путь «сверху-вниз» нельзя использовать для создания заданных архитектур. Но он представляется весьма перспективным для приготовления наноразмерных частиц, которые могут быть использованы в качестве наполнителей для получения нанокомпозитных материалов, так как в этом случае речь не идет об определенных архитектурах. Путь нанотехнологии «сверху-вниз» – это логическое развитие известной порошковой технологии.

Если говорить о достаточно быстрой отдаче от нанотехнологий, то их скорее всего следует ожидать как раз от нанокомпозитов, нанокатализаторов. Однако в перспективе значение пути «снизу-вверх» будет только возрастать. Это не означает, что этот путь сегодня не дает конкретных результатов и применений. Например, уже сейчас создаются углеродные нанотрубки, которые могут адсорбировать значительное количество водорода и могут помочь в создании новых высокоэффективных и экологичных топливных элементов.

Надо сказать, что ученые давно изучают свойства наночастиц, возможности их применения. Например, работы с использованием сканирующего туннельного микроскопа, атомно-силового микроскопа, по нанометрологии, нанокатализаторам, наноконтактам ведутся в Казанском физтехе уже 20 лет.

В Российской академии наук в течение ряда лет реализуются специальные программы фундаментальных исследований наносистем. Большой импульс работам в этом направлении дала государственная программа РФ по развитию нанотехнологии. В связи с этим Российская академия решила еще больше мобилизовать свои ресурсы на этом направлении работ и в конце 2007 года решила создать специальную секцию академии по информационным- и нанотехнологиям. Не надо думать, что в рамках РАН образуется какой-то технологический цех. Просто академия хочет сфокусировать свои усилия на очень важном запросе времени, запросе государства – развитии науки о наносистемах.

Практическое применение

Преимущество наносистем лежит уже в самом названии – это ничтожные размеры, площади, объемы. Чтобы создать какой-нибудь микрочип, где используются замыкания контактов, достаточно использовать несколько атомов.

Например, при сегодняшней технологии каждый человек на планете не мог бы иметь персональный компьютер. Это невозможно потому, что на Земле физически не хватит некоторых редких материалов, используемых в компьютерах. Нанотехнологии решат эту проблему: если уменьшить длину в десять раз, то площади и объемы уменьшатся в сотни и тысячи раз. Это колоссальная экономия сырья!

В конце ХХ века стала распространяться порошковая технология. В ряде случаев, например, в катализаторах, лекарствах, эффективность порошка определяется отношением площади поверхности к объему отдельных порошинок, а это отношение растет с уменьшением размера. Порошки стали использовать в промышленности, в медицине. Известно, что если сажу добавлять в каучук, то принципиально улучшается качество шины.

Сейчас задача ученых состоит в том, чтобы эти порошинки уменьшить в тысячу раз – до наноуровня. Очень важно, что при переходе на очень маленькие размеры у вещества появляются совершенно новые качества, в том числе появляются принципиально новые квантовые свойства.

Квантовый компьютер и квантовая телепортация

Одна из главных надежд в современной науке – создание мощного квантового компьютера (слабенький уже создан, речь идет о компьютере, способном решать задачи, которые сегодня считаются неразрешимыми). Это такой компьютер, в котором логическими элементами являются нанокомпоненты, работающие по квантовой логике. Такая логика сильно отличается от привычной нам логики. Атомы молекул ведут себя не так, как футбольный мяч. Для атома – обычное дело находиться в двух разных состояниях одновременно, хотя нам это трудно представить.

Если квантовый компьютер будет создан, то «полетят» пин-коды всех банков. С помощью квантового компьютера их можно будет разгадать за несколько часов. В принципе, известно, как разгадывать секретные пароли, просто для современных компьютеров эта задача неразрешима. Естественно, наша цель не в этом, но это наглядно демонстрирует возможности квантового компьютера. «Мирные» цели – это точное предсказание погоды, создание огромнейших баз данных, телефонных справочников, в которых можно будет найти данные о владельце определенного номера.

Еще один проект наносистем – квантовая криптография, реализованная на фотонах. Таким способом информацию уже можно передавать до 100 миль, и ее невозможно прослушивать третьим лицам. В скором времени это будет широко применяться, и можно надеяться, на больших расстояниях.

Значение Республики Татарстан в науке о наносистемах

Многие считают, что вся нанонаука сосредоточена за рубежом, а в России и, в частности, в Татарстане ничего нет. Это не так. Приведу только один пример. Несколько лет тому назад по заказу Минобрнауки РФ выполнялся грант по нанометрологии, и Казанский физико-технический институт был одним из главных исполнителей заказа. Это говорит о многом.

Вообще в Казани есть несколько мне известных мест, где науке о наносистемах уделяется большое внимание. Помимо Казанского физико-технического института это Казанский государственный университет, Казанский технический университет им. Туполева, Казанский технологический университет им. С.М. Кирова, Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.

Главные направления работы Физтеха – это создание элементной базы квантовой информатики; разработка наноконтактов для наноэлектроники, которые проявляют эффект магнитосопротивления; создание нанокатализаторов; также сейчас ведутся работы по осуществлению квантовой телепортации через мембрану толщиной три нанометра. Эту мембрану изготовят в Университете Пенсильвании – наши специалисты пока не имеют возможностей создания таких мембран.

Арбузовский институт синтезирует молекулярные сита и биосенсоры на основе каликсаренов, КАИ и КХТИ занимаются нанокомпозитными материалами.

Если говорить о России, то лидерами в отрасли являются Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, Нижний Новгород, Екатеринбург.

Поддержка на высшем уровне

К сожалению, сегодня нанотехнологии в республике не слишком востребованы бизнесом. О конкретных примерах сотрудничества татарстанских предприятий и специалистов в области наносистем говорить не приходится. В 2007 году технопарк «Идея» изучил вопрос, насколько востребованы нанотехнологии предприятиями города и республики. Результаты оказались неутешительными. Наверное, было бы полезно, если бы предприятия приглашали ученых с лекциями по нанотехнологиям, по науке о наносистемах. Надо двигаться по пути ликбеза населения в области нанотехнологий.

Плюс ко всему в республике слабо развита технологическая база наносистем. Необходимо создать центр уникального оборудования коллективного пользования. Неважно, будет это создано на базе нашего института или где-то еще. Создание такого центра помогло бы ученому сообществу Татарстана еще больше участвовать во всевозможных российских и международных грантах и побеждать в них. По нашим подсчетам, на реализацию такого проекта необходимо около 600 миллионов рублей.

Уже в марте 2008 года на Президиуме Академии наук Татарстана будет вынесена на обсуждение программа развития нанотехнологии, инфраструктуры нанотехнологии в Татарстане.

Марат Вагизов

http://info.tatcenter.ru/…ce/55790.htm

Казанский физико-технический институт им.Е.К.Завойского

http://info.tatcenter.ru/…ses/7894.htm

Казанский государственный университет (КГУ)

http://info.tatcenter.ru/…ises/456.htm

Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева (КАИ)

http://info.tatcenter.ru/…ises/469.htm

Казанский государственный технологический университет (КГТУ)

http://info.tatcenter.ru/…ises/468.htm

Институт органической и физической химии им.А.Е.Арбузова (ИОФХ)

http://info.tatcenter.ru/…ses/5724.htm

Этой вводной статьей TatCenter.ru начал цикл публикаций, посвященный нанотехнологиям и их развитию в Республике Татарстан. И это – очень хорошо! Популяризация нового н.-т. направления – это очень важное и нужное дело. Было бы очень хорошо, если бы подобного рода деятельностью занялись учёные и научные обозреватели всех газет, журналов, электронных СМИ, издательства и др. во всех регионах России и делали бы это регулярно и настойчиво. Это подготовило бы общество к адекватному восприятию этого нововведения и служило бы задаче пополнения кадрового состава исследователей в данной области…